能源危機下的新突破：為何要“追著太陽跑”？

隨著化石能源枯竭與碳中和目標推進，太空太陽能發電（SSPS）成為全球研究熱點。太空中的太陽能密度高達地面10倍（1360 W/m2），若能高效收集并傳回地球，將重塑能源格局。然而，過去50年，SSPS技術面臨兩大瓶頸：全鏈路系統集成難（聚光、光電轉換、微波無線輸電需無縫協作）和微波輸電效率低（日本2015年實驗效率僅9.88%）。

2022年，西安電子科技大學段寶巖院士團隊在西安建成世界首個全鏈路、全系統的空間太陽能電站地面驗證系統“逐日工程”，首次實現從“聚光追日”到“微波輸電”的全流程閉環，關鍵指標波束收集效率（BCE）達87.3%，直流-直流總效率突破15.05%，刷新全球紀錄。

創新設計：給衛星裝上“半球形聚光傘”

傳統空間太陽能電站方案存在結構笨重、散熱難等問題。團隊提出 OMEGA 2.0創新構型：

  • 半球形聚光器替代球形結構，降低薄膜材料工藝難度；
  • 雙發射天線外置設計，避免高壓導電滑環故障風險；
  • 仿蝴蝶翅片散熱器，結合拓撲優化技術，將光伏板廢熱高效輻射至空間，解決太空中“悶燒”難題。

系統通過三纜懸吊55米高空，實時調整姿態追蹤太陽方位，誤差控制在0.1度以內——相當于讓一個足球場大小的結構始終對準500米外的一枚硬幣。

核心技術：微波束如何“精確制導”？

微波無線輸電（MWPT）是SSPS的核心難點。團隊突破兩大關鍵技術：

  1. 階梯波束塑形技術
    傳統微波束能量分布不均，導致接收端效率低下。團隊設計 四階梯圓形波束，使微波能量在接收平面上呈“同心圓”均勻分布（每圈功率密度相同），整流電路可標準化設計，成本降低40%。
  2. 雙閉環控制系統
  • 機械調節：三纜懸吊系統控制聚光器追日；
  • 電子調節：發射天線176個子陣列實時相位校準，確保微波束精準鎖定5.2米外的接收天線陣列。

實驗顯示，在55米距離傳輸2081W功率時，微波指向精度誤差小于0.01度，相當于從北京瞄準上海的一個籃球不偏離1厘米。

實驗結果：效率超日本50%，但仍有提升空間

表1對比全球主要MWPT實驗數據：

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盡管效率領先，系統仍有局限：

  • 光伏板拖累整體效率：受限于成本，采用硅基光伏（效率約18%），若改用砷化鎵材料（效率可達30%），總效率可翻倍；
  • 天地差異待驗證：太空環境（微重力、極端溫差）對結構穩定性的影響需進一步研究。

未來展望：給無人機“空中充電”，構建太空充電樁

團隊下一步將探索 “一束多收”技術，使單個發射天線同時為多個移動目標（如無人機、低軌衛星）供電。此外，該系統已驗證的關鍵技術可延伸至：

  • 太空充電站：為近地軌道衛星群提供能源補給；
  • 災后應急供電：72小時內快速部署微波輸電網絡。

段寶巖院士指出：“這不是科幻——當太空光伏板成本降至每瓦1美元，太空電價比煤電更低時，人類將迎來能源自由。”

來源: Engineering